基于嵌入式系统U盘开发的设计

湖南文理学院芙蓉学院课程设计报告课程名称：嵌入式系统课程设计专业班级：通信工程1301班

王海波邵湘怡完成时间：2016年6月22日报告成绩：评阅意见：评阅意见：评阅教师日期湖南文理学院制目录基于嵌入式系统u盘开发的设计 1一、设计题目 1二、设计内容及要求 12.1设计内容12.2设计要求1三、设计作用与目的 2四、系统设计方案 2系统总体设计 2简要阐述系统工作原理 3五、系统硬件设计 3硬件电路 3基本程序结构 45.2.1USB设备端固件分以下几个层次： 45.2.2. 在调试的时候，从现象上来看，分成以下几个阶段性的步骤 55.2.3检查USB件工作与否 55.2.4提供描述符6硬件设计 6六、系统软件设计 7USB协议 7BULK_ONLY和UFI协议 86.3 FAT32 116.4 软件系统模块 11七、仿真调试分析 14八、嵌入式系统学习心得 14九、参考文献 14PAGEPAGE14基于嵌入式系统u盘开发的设计一、设计题目基于嵌入式系统u盘开发的设计二、设计内容及要求设计内容USBPC机进行数据处理，给人们带来很多不变，为此，本UUSB读写器，方便地将采集数据以U，PC决下位机与PC设计要求UUU上，或者手机上，以实现数据存储的功能。在进行USB开发过程中，比较难的是对设备端的程序（称为固件，Firmware）进行调试。由于USB协议有严格的时间要求，这就使得程序必须在有效时间内对某些请求或状态进行处理，否则，USBLED1，LED2显示输出的一些信息来辅助调试，定位问题所在。比如，在某个函数中加入LED1，LED2显示语句，程序运行时看有否相应的LED1，LED2（单片机部分）借助PC调试软件（BusHound）将设备端的USB协议（端口配置、地址设置以及基本数据交换）调通。然后，用调试好的USB设备接口来嵌入文件系统功能。三、设计作用与目的U盘结构特点，设计了一种基于嵌入式系统UU到无线数据卡上，或者手机上，以实现数据存储的功能四、系统设计方案系统总体设计

图1USB读写器结构图SB读写器结构框图如图1所示，主要由MSP430F149和SL811HS构成，MSP430支持串口输入和14位的并口输入，P2.7用作中断唤醒位，P2.6用作标准位区分数据和命令，通过P4口向SL811发送控制信号，P6用作普通的双向总线接口与SL811进行数据交换，P1.1支持中断唤醒接收SL811的中断请求。五、系统硬件设计硬件电路下图分别为PDIUSBD12的引脚定义，其中，下列几个方面在制作电路板时应该注意。图2PDIUSBD12引脚图GND接地，VDD接正(3.3V5V3.3VVout3.3VDD3.3V；如果芯片工作在5V，则这时Vout3.3会输出3.3V的电压，用于提供给D考电压必须为3.3V。对于U盘来说，由于USB接供的是5V电压，因此应该按后一种接法接。即GND接USB接口中的GND，VDD接USB接口中的VDD，D＋D－分别接USB位。XTAL1和XTAL2按传统接法。PDIUSBD12引脚MCUAT-89C55WD引脚DATA<0>~DATA<7>P0.0~P0.7(AD0~AD7)ALEALE/PROGCS_NP1.6RESET_NP1.7PDIUSBD12引脚MCUAT-89C55WD引脚DATA<0>~DATA<7>P0.0~P0.7(AD0~AD7)ALEALE/PROGCS_NP1.6RESET_NP1.7INT_NP3.2(INT0)SUSPENDP3.3WR_NP3.6(WR)RD_NP3.7(RD)A0接GNDDMARQDMACK_NEOT_NGL_NCLKOUT引脚悬空，可作为扩充功能使用。MCUAT-89C55WDP1.2和P1.3接2个低电平有效显示灯LED1和LED2。基本程序结构USB设备端的固件分以下几个层次：表2固件层次固件模块固件模块功能进行各种初始化操作、寄存器设Main.c置、中断设置中断服务程序，负责将不同类型的intr.c中断转向不同的地方usb_op.cusb_op.cD12硬件抽象层,所有的上层模块都必须通过此模块与USB芯片打交道设备枚举需要的设备描述符，配置描述usb_prtcl.c符，接口描述符，端口描述符都由此模块来执行提供所有massStorage协议endpoint2_bulk_only.CCBW,CSW,DATAFLASH由此模块来处理在调试的时候，从现象上来看，分成以下几个阶段性的步骤1、USBPCUSB、向主机提供普通USB设备提供描述符，提供正确的VID和PID后，PC能够识别设备，但要求提供设备的驱动程序；3UsbDebug.exe12，；4MassStorageBulk－Only提供描述符，PCMassStorage、响应了Inquiry；6、提供了其他所有的UFI（SCSI），开始读取磁盘0（BPB）FAT12AT-89C55WDEEPROM信息，可以访问盘符，列目录为空；8、，软盘中放一个可执行的文件，可以正常运行这个可执行文件；8、创建文件，向设备发出Write检查USB器件工作与否确定USBUSBSoftConnectUSBBusHound，USBUSB初始化过程为：①初始化MCU的各种端口；②进行中断初始化，设置中断服务程序入口地址，将MCU的中断方式设置为低电平触发，因为D12只要进入中断后INT_N就一直为低。③断开SoftConnect，延时1秒后再次连接④进入主程序循环，等待中断的到来⑤由中断服务程序处理所有与USB有关的操作。提供描述符USB设备的调试过程其实就是根据主机的请求，不断地向主机提供各种信息的过程。因此，了解主机按照什么样的顺序向设备发出请求，即Windows对USB设备的枚举顺序是非常有必要的：GetDeviceDescriptor。主机主要对Length域感兴趣，发送内容一定要正确，特别是第2字节type一定为0x01，即Device；否则，主机将不响应，或这时由于主机对Device的描述符将有多长实际上都不知道，所以这个步骤只是试探性的，目的是得到真正长度，第三步中才正而巴经地读取DeviceDescriptor。硬件设计TIMSP430F149MCU，CypressSL811HSUSB充分发挥各自优势满足低功耗要求。MSP430TIMSP430的模块组成，这些微控制器可用电池工作，且使用的时间很长，MSP43016位RISC结构，CPU中的16个寄存器和常数发生器使其能达到最高的代码效率，灵活的时钟源可以使器件的功率消耗最低，数字控制的振荡器（DCO）可使器件从低功耗模式迅速唤醒，在短于6μs的时间内激活到活跃的工作方式，非常的内/外设和I/O端口资源，端口P1和P2支持中断唤醒。SL811HSCypressSL811HSUSB/控制，USB/从设备控制器支持全高速和低速数据传输，内部256SRAM动加8DMA。六、系统软件设计为了使上位PC机能够直接读取该读写器写入U盘的数据，数据存储按照FAT32文件管理方式存储，其中涉及USB和UFI协议以及FAT32文件存储格式。USB协议通用串行总线）USB接口的外围设备连接到主机数据传输的外部总线结构，是一种快速、灵活的总线接口，USB的传输类型有控制（control）（bulk）、中断（interrupt）和同步（synchronous）传输4种，它最大的特点是易于使用，即插即用，主要是用在中速和低速的外设。USB控制传输，这种数据传输不会丢失数据。通过在硬件中实现差错检测功能，并且有选择地进行一定的应进重试操作，可以在硬件层次上保证数据的可靠交换。由设备自发产生的数据传输是中断数据传输，这类数据传输可以由USB设备在任意时刻发起，而且USB总线以不低于设备说明的速率进行传输。同步数据在产生、传送和处理过程中是连续的和实时的，在稳定的同步数据发送和接收速率中包含了相应的时钟信息，为了保持定时关系，同步数据必须按照接收的速率进行传输。BULK_ONLY和UFI协议USB5U4个独立的子规范，即CBI传输、Bulk-Only传输、ATA命令块、UFI命令规范。前两个协议定义了数据/命令/状态在USB总线上的传输方法，Bulk-Only传输协议仅仅使用Bulk端点传送数据/命令/CBIControl/bulk/interrupt三种类型的端点进行数据/命令/状态的传送。后两个协议定义了存储介质的操作命令，ATA协议用于硬盘，UFIUSBUBulk-OnlyUFIUFI命令块规范是针对USB1912字节长度的操作命令。Bulk-Only事务以主机向设备发送CBW(CommandBlockWarp)包，并以建立相应的数据传输开始的，设备接收到CBW包，检查并解释它，试图满足主机的要求，并通过CSW(CommandStateWrap)包向主机返回状态信息。CBWBulk-OutCBW域指明期待的传输，CBW31CSWCBW包必须按低字节在前的次序传输。CBW包结构如图2所示，各域含义如下：字节7字节76543210～3命令块包标识4～7命令块标记8～11数据传输长度12命令块标旗13预留逻辑单元号1415～30预留CBWCBCBWCB长度命令块包标识。CBW包标记，表明这是一个CBW包，这个域的值为43425355H。命令块标记。当设备返回相应的CSWBulkCBWCSW值。命令块标旗。方向位规定了Bulk端点数据传输的方向，其他位预留。0。CBWCBCBWCB的有效长度，合法值为1-16。CBWCB。由设备执行的命令，由设备解释。CSW向主机表明来自于CBW包的命令块的执行状态。设备收到CBW包解析处理后将通过Bulk-In端点发送一个CSW包。CSW开始于包边界，并以13字节的短包结束，结构如图3所示，各域含义如下：表4命令状态包结构字节字节765432100～3命令状态包标识4～7命令状态标记8～11数据残余12命令执行状态命令状态包标识。CSWCSW53425355H。命令状态标记。次域的值域CBW包的命令块标记相同。CBW包中规定的数据传输长度的差值。非0值；则表明失败或错误。UFI是针对USB移动存储而制定的命令块协议，它规定了主机和设备进行信息交换所使用的命令块、数据和状态信息，Bulk-Only传输协议定义了传输这些信息的方法，其中UFI命令块是封装在CBW包中的CBWCB，设备通过读取CBWCB确定具体要执行何种操作命令（如读命令），如何完成这个命令（如从闪存的哪个地址读，需要读取的长度），设备将命令的执行状态封装成CSW返回给主机。UFI1241）操作命令代码。指明所需要执行的操作命令；逻辑单元号。指明命令将发送到哪个逻辑单元，如果设备只有一个逻辑单元，则此域的值为0。逻辑块地址。命令操作的起始地址。传输长度，指明请求传输的数据量，通常以扇区作单位，但是有几个命令是以字节"作单位的，对于这些命令，传输长度域可以以不同的名字标识，若此域的值为0，则表面没有数据需要传输。块（如模式参数、诊断参数等），若此域的值为0，则表面没有数据需要传输。分配长度，指明主机已经分配的用于返回数据的最大字节长度，若此值为0，则表明没有数据需要传输。表5UFI结构字节字节765432100操作命令代码1逻辑单元号预留2～5逻辑块地址6预留7～8传输长度或参数列表长度或分配长度9～11预留FAT32FAT是Microsoft较早推出的文件系统，具有高度的兼容性，目前仍然广泛应用于个人电脑尤其是移动存储设备中，FAT由引导扇区、FAT1表、FAT2表、目录和文件区组成（其中FAT2表是FAT1表的备份）。磁盘的管理是以扇区为单位的，而移动存储设备则是以块为单位的，FAT将块映射成扇区，原理相同，FAT将磁盘空间以一定数目的扇区为单位进行划分，这样的单位成为"簇"。通常情况下，每扇区512字节的原则是不变的，簇的大小一般是2n（n为整数）个扇区的大小。所以以簇为单位而不以扇区为单位进行磁盘的分配，是因为当区分容量较大时，采用512字节的扇区管理，会增加FAT表的项数和大文件存取的消耗，使文件系统效率不高。引导扇区DBR（DOSBootRecord）通常占用分区的第0扇区，共512字节，FAT表紧随其后。DBR的第一部分是一个x86跳转指令、厂商标志和操作系统版本号，接下来的从偏移0x0B开始的是一段描述能够使可执行引导代码找到相关参数的消息，通常称之为BPB。最后是引导程序代码以及扇区结束标志。BPB中记录了扇区大小、簇的扇区数、保留扇区数、FAT表大小和文件系统类型等重要参数，用于文件的索引和定位计算。软件系统模块USB读写器软件由主模块、USB模块、BULK模块、FATU盘文件的读写创建。USBUSB设备的移入/配置设备接口端点描述符，建立BULK_ONLY输入/BULK模块则在已建立的BULK_ONLY输入/输出通道发送CBW数据包，并接收CSW数据包，通过CBWCBWCB信息确定对U盘读/写操作的扇区位置和大小，FATUBPB外部中断唤醒。中断处